Advanced technology fuel (ATC): Simulation und Analyse unfalltoleranter Brennelement-Konzepte mit AC²

Abstract

Der vorliegende Bericht ist der Fachbericht zum Arbeitspunkt „ATF – Simulation und Analyse unfalltoleranter Brennstoffe" im Forschungsvorhaben Analyse und externe Validierung der AC² Modellbasis (AVAMO). Das Vorhaben wird durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz (BMUV) unter dem Kennzeichen BMUV 1501629 gefördert und in der Arbeitsgruppe Plant Simulation and Safety der Ruhr-Universität Bochum bearbeitet. Ziel des Vorhabens ist die gezielte Analyse und Validierung des Programmpakets AC² und der darin enthaltenen Programmteile COCOSYS, ATHLET und ATHLET-CD zur Berechnung störfallrelevanter In- und Ex-Vessel-Phänomene. In diesem technischen Fachbericht werden fortschrittliche, potenziell unfalltolerante Hüllrohrkonzepte untersucht. Der Fokus liegt auf dem Verhalten von FeCrAl- und mit Cr-beschichteten Hüllrohren in einer Dampfatmosphäre und der Weiterentwicklung des Codes. Die Arbeiten umfassen eine umfangreiche Literaturrecherche zur Modellierung relevanter thermophysikalischer Eigenschaften der verwendeten Materialien. Aktuelle Modellansätze zur Berechnung der Oxidationsprozesse in AC² werden untersucht und aufgrund der bestehenden Defizite eine Modellentwicklung für ATF durchgeführt. Zur Validierung der ATF-Modellansätze wird ein Simulationsmodell der QUENCH-Anlage mit AC² erstellt und anhand experimenteller Daten aus vier ausgewählten Versuchen getestet: QUENCH-ATF-1, QUENCH-19 sowie deren Referenzversuche QUENCH-L3HT und QUENCH-15. Die Untersuchungen zeigen, dass die aktuelle AC²-Modellbasis Defizite bei der Simulation des Verhaltens der ATF-Konzepte aufweist. Für FeCrAl-Legierungen wird daher eine neue Korrelation in eine interne Testversion von AC² implementiert. Das neu entwickelte Oxidationsmodell für Cr-beschichtete Hüllrohre verwendet hingegen eine neu modellierte Korrelation und einen vereinfachten Ansatz zur Beschreibung des komplexen Schichtversagens. Die Simulationsergebnisse zeigen insgesamt eine gute Übereinstimmung mit den Messdaten, jedoch können lokale Effekte nur begrenzt wiedergegeben werden. Es wird festgestellt, dass hinsichtlich des Oxidations- und mechanischen Verhaltens der ATF-Konzepte unter Bedingungen jenseits des Normalbetriebs weiterer Forschungsbedarf besteht. Zukünftige Forschung könnte sich auf eine detailliertere Modellierung des Versagensprozesses der Cr-Beschichtung und des Oxidationsverhaltens oberhalb der eutektischen Temperatur konzentrieren. Hierbei können geplante experimentelle Untersuchungen im Rahmen des OECD NEA "QUENCH-ATF" Programms wertvolle Erkenntnisse liefern. Die Ergebnisse dieses Berichts tragen wesentlich zum Verständnis und zur Verbesserung von Sicherheitskonzepten bei und bilden eine Grundlage für weiterführende Arbeiten. Datei-Upload durch TIB This report is the technical report on the working package „ATF – Simulation and analyses of accident-tolerant fuel concepts” in the research project “Analysis and external validation of the AC² model basis (AVAMO)” funded under the grant number BMUV 1501629 by the Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation, Nuclear Safety and Consumer Protection and performed by Plant Simulation and Safety Group at Ruhr-Universitaet Bochum. The aim of the project is the detailed analysis and validation of the program package AC² and the modules COCOSYS, ATHLET and ATHLET-CD contained therein for the calculation of accident-relevant in- and ex-vessel phenomena. This technical report investigates advanced, potentially accident-tolerant cladding concepts. The focus is on the behavior of FeCrAl and Cr-coated claddings in a steam atmosphere and the further development of the code for modeling these concepts. The work includes an extensive literature review on modeling relevant thermophysical properties of the materials used. Current modeling approaches for calculating oxidation processes in AC² are examined, and due to existing deficiencies, model development for ATF is carried out. To validate the ATF model approaches, a simulation model of the QUENCH facility is developed with AC² and tested using experimental data from four selected tests: QUENCH-ATF-1, QUENCH-19 and their reference tests QUENCH-L3HT and QUENCH-15. The investigations indicate limitations of the current AC² model basis in simulating the behavior of the ATF concepts. A new correlation is therefore implemented in an internal test version of AC² for FeCrAl alloys. The newly developed oxidation model for Cr-coated claddings, on the other hand, uses a newly modeled correlation and a simplified approach to simulate the complex coating failure. Overall, the simulation results show good agreement with the measurement data, but local effects can only be reproduced to a limited extent. It is concluded that further research is needed, particularly regarding the oxidation and mechanical behavior of ATF concepts under beyond-normal operating conditions. Future research could focus on more detailed modeling of the Cr-coating failure process and oxidation behavior above the eutectic temperature. Planned experimental investigations within the framework of the OECD NEA "QUENCH-ATF" program can provide valuable insights in this regard. The results of this report contribute significantly to the understanding and improvement of safety concepts and form a basis for further work.